JP3812157B2 - 圧延機の安定化制御方法およびその装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧延機による長尺な板金の圧延工程で生じる圧延材の蛇行現象を安定化制御する方法およびその装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
本発明において対象とする従来の圧延システムを図12に示す。図において、1は圧延材、2a,2bはワークロール、3a,3bはバックアップロール、4a,4bは圧力センサ、5は圧延機の幾何学的中心、6は圧延材の幾何学的中心、8a,8bは圧下装置、9a,9bは荷重信号、10a,10bはレベリング信号、11は制御装置である。
【0003】
圧延中において圧延機の機械的特性及び圧延材形状の左右非対称性や左右の圧延速度差などに起因して圧延材が幅方向に急激に移動する蛇行現象が発生する。蛇行が発生することによって圧延ロールに疵が入り製品精度を低下させたり、圧延材が圧延機に衝突することによって圧延不能に陥り、生産性の低下を引き起こす。
【0004】
これまでは圧延材に幅方向の中央部より端部を薄く圧延するクラウンを施すような圧延条件で圧延を行い蛇行の発生を防止している。しかし、板厚精度に対する要求が厳しくなっているためクラウンを減少させる傾向にあるため、必然的に蛇行が発生しやすい状況にある。
【0005】
蛇行を制御する手法として、制御装置11において荷重信号により蛇行量を間接的に検出し、その蛇行量に相当する値により蛇行制御を行う方法や圧延機入側に設置された蛇行センサにより蛇行を直接検出し、蛇行を制御する方法などが報告されており、両手法に対し比例制御や比例微分制御などが適用されている。また特開平8ー323412号公報では蛇行量及びその微分値を状態変数として扱い、オブザーバにより推定された状態変数を用いて状態フィードバック制御を行う制御方式などが報告されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
荷重信号を検出する方法において比例微分制御を適用した手法では制御系全体が不安定になると考えられる。しかし、上記の手法を実際の圧延機に適用すると圧下装置が遅れ系として作用し、この結果、系全体が不安定になることが防がれている。しかし、遅れ系の時定数は圧下装置に依存しており、制御系の設計要素として意図的に設計することは困難である。また、時定数の値によっては系全体の安定化に利用できないこともあるという問題がある。
【0007】
上記に関する詳細な説明を以下に示す。蛇行現象及び蛇行現象に影響する圧延機の特性を含めて制御対象として考えると、制御対象の動作特性は式(1)で表される。
【0008】
【数1】
【0009】
ただし、yC は蛇行量,yC0は初期蛇行量,δSはレべリングの左右の偏差,δHは入側ウェッジ量(圧延材の左右の厚さの差),δPは左右の荷重偏差を表しており、a,b,c,d,h1 ,h2 は圧延機及び圧延条件などにより決まる定数である。
【0010】
式(1)を入力δSから出力δPまでの伝達関数で表現すると式(2)となる。また、式(2)の周波数特性を図2に示す。
【0011】
【数2】
【0012】
この制御対象は不安定極、不安定零点が存在しており、極めて不安定なシステムであり、制御するのが困難である。具体的には低周波領域においてゲインが0[dB]より低くなった場合、または高周波域においてゲインが0[dB]より高くなった場合には不安定になる。
【0013】
この制御対象に対して比例微分制御を適用したときの開ループ伝達関数の周波数特性を図3(a)に示す。比例微分制御のみで制御装置を構成した場合、図3(a)が示すように、低周波領域では比例ゲインを適切に設定することにより安定にすることができるが、高周波領域では微分ゲインの影響により高周波域でのゲインが無限大となるため制御系全体は不安定になることが避けられない。比例微分制御に加え、圧下装置を遅れ系(図3では1次遅れ系)で近似した場合での周波数特性図3(b)及び(c)では遅れ系の特性により、高周波域でのゲインは無限大とならず一定となる。
【0014】
しかし、圧下装置の応答が速い場合では、図3(b)のように高周波域でのゲイン特性が0[dB]を超えるため不安定となる。図3(c)が示すように圧下装置が適切な時定数を持つ場合においても十分なロバスト安定性を考慮することはできない。第31回塑性加工連合講演会資料「ホットストリップ圧延における蛇行制御方法の研究」における制御ゲインの設計に関しては、制御ゲインの安定な範囲については述べられているが明確な設計方法は示されていない。また、ロバスト安定性についても示されていない。
【0015】
本発明は、従来技術の上記の問題点を解決するためになされたものであり、圧延機の動作特性に左右されず蛇行現象を安定に制御する方法およびその装置を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の構成による圧延機の安定化制御方法は、圧延中に発生する圧延材の蛇行に対し、圧延機に設置された荷重センサにより検出される左右の荷重の偏差に基づき、比例微分制御を行って圧下装置に与える左右のレべリングの偏差の指令値を演算し、前記指令値に基づいてロールギャップを調節して蛇行を安定化する圧延の安定化制御において、前記圧延機の動作周波数特性の零点時定数にほぼ等しい極時定数をもつ安定化ローパスフィルタを備えたものである。
【0017】
また、本発明の第2の構成による圧延機の安定化制御方法は、圧延の安定化制御において、制御対象である、圧延機の特性を含めた蛇行現象の周波数特性を解析して制御対象の零点に基づいて前記安定化ローパスフィルタの極時定数を決定し、制御対象の極に基づいて比例微分制御の零点時定数を決定することを特徴とし、低周波域と高周波域の特性を各々独立に設定することを可能としたものである。
【0018】
また、本発明の第3の構成による圧延機の安定化制御方法は、圧延の安定化制御において、制御対象である、圧延機の特性を含めた蛇行現象と請求項2記載のパラメータが設定された制御装置とを合わせた系の周波数特性を解析してロバスト安定性と蛇行量の定常偏差を考慮する、安定化制御ゲイン決定手段を備えたものである。
【0019】
また、本発明の第4の構成による圧延機の安定化制御装置は、長尺の圧延材を圧延する圧延機において、左右の圧下荷重を測定する圧力センサと、前記左右の圧力信号にもとづいて左右の圧下指令信号を発生する制御装置とを備え、前記制御装置は、圧延機の動作周波数特性の極時定数にほぼ等しい微分制御時定数と、圧延機の零点時定数にほぼ等しい極時定数の安定化ローパスフィルタとを備え、圧延材の蛇行現象を安定に制御するものである。
【0020】
【発明の実施の形態】
比例微分制御で構成された制御装置に安定化ローパスフィルタを加えることによって、圧下装置の時定数に依存することなく制御系全体の安定性確保を可能にする。また制御対象及び制御装置の周波数特性を解析することにより、安定化ローパスフィルタの時定数も含めた制御パラメータをロバスト安定性を考慮して設計する。以下に発明の実施の形態にもとづいて制御パラメータの決定方法を説明する。
【0021】
従来技術で説明したように、差荷重方式に比例微分制御を適用した場合、制御系全体が不安定になると考えられるが、制御系を構成する圧下装置が遅れ系で近似され、結果として系全体が不安定になることが防がれている。また、特開平8ー323412号公報に示された手法を周波数領域で解析すると、同様に比例微分制御と遅れ系の組み合わせと解釈することも可能である。図1に本発明の制御装置を含む圧延システムの構成を示す。図において、7は本発明の制御系の制御装置を示している。以下に本発明の制御系の特性の決定方法について説明する。
【0022】
前記比例微分制御と遅れ系の組み合わせの制御装置をC(式3)で表現する。
【0023】
【数3】
【0024】
式(3)では比例微分制御と2次の遅れフィルタの構成となっている。式(3)において制御パラメータは4つであるが、現場での調整を考えた場合、制御パラメータの数は少ないほうが有利である。そのためp1 《p2 と仮定し、p2 を無視することで制御パラメータの数を低減し、制御装置の構成を式(4)で表されるような比例微分制御とローパスフィルタとの組み合わせとした。実現可能な制御装置を考えた場合、p2 は式(3)で表される制御装置において高周波域での安定性に影響するパラメータであり、制御を行う範囲ではほとんど影響しない。また、p2 を無視したとしても安定性を損なうことはないためこの仮定は妥当であると言える。
【0025】
【数4】
【0026】
式(4)において、k/pをkと置き直して制御装置式(5)と表現する。
【0027】
【数5】
【0028】
式(5)のように表現することによって、pの変化は低周波域の特性のみに、またzの変化は高周波域の特性のみに影響するため、低周波域,高周波域すなわちp,zを独立に調整することが可能となる。式(5)の分子が比例微分制御を、分母が安定化ローパスフィルタを表している。
【0029】
以下に制御特性に対する制御パラメータの影響及びその決定方法について示す。図4に制御パラメータ決定方法のフローを示す。まず、図2に示すような制御対象の周波数特性あるいは数式モデルより、制御対象の極p0 ,零点z0 を求める。制御パラメータpを制御対象の零点z0 の近傍の値に,zを制御対象の極p0 の近傍の値に設定したと仮定する。制御パラメータp,zは正確にz0 ,p0 である必要はなく、ある程度一致していればよい。簡単のため以下の説明では完全に一致させた場合を考える。この条件においてkを変化させたときの影響について述べる。そのときの開ループ伝達関数の周波数特性は図5となり、そのときの圧下系にステップ状外乱dsが印加されたと想定した場合の蛇行の時間応答は図6となる。図6よりゲインkを大きくすると蛇行の定常偏差が小さくなるため許容される蛇行量の仕様によりゲインkを決定すればよい。定常偏差と蛇行量の定常偏差の関係は式(2)と式(5)より入力δSから蛇行量ycまでの閉ループ伝達関数を考え、時間領域応答の収束値から式(6)で表される。
【0030】
【数6】
【0031】
式(6)より蛇行量の定常偏差よりゲインkの範囲を求めることができる。しかし、前述した通り、kは大きすぎても小さすぎても制御系が不安定になるために図5(a)と(c)との範囲に収まるよう設定する必要がある。その範囲は、式(7)で表される。
【0032】
【数7】
【0033】
式(7)の範囲内にあれば制御特性の良し悪しはあるが安定性は確保される。またこの範囲の制御対象のゲイン変動に対してロバスト安定であることを意味している。
【0034】
次にzを制御対象の極p0 と等しくし、kを上述の通りの範囲に収まるよう適当な値に設定したと仮定し、pの変化に対する影響について述べる。pを変化させた場合の開ループ伝達関数の周波数特性の変化を図7に、またその場合での蛇行量のステップ応答を図8に示す。pを制御対象の零点z0 より小さく設定すると図7に示すように高周波域での開ループゲインが低下するため式(7)が示す範囲の下限が広がることになるためロバスト安定性は良くなる。
【0035】
しかし、図8に示すようにステップ応答が振動的になることがわかる。また、逆にpを大きくすると、高周波域でのロバスト安定性が悪化する。これよりpは制御対象の零点z0 近傍に設定することが良いと考えられる。
【0036】
pを上述の結果より制御対象の零点z0 に等しくし、kを式(7)での範囲に収まるよう適当な値に設定してzを変化させると、周波数特性及び蛇行量のステップ応答は図9,図10のようになる。これよりzが制御対象の極p0 より大きいと図9に示すようにロバスト安定性は良くなる。また、低周波域でのゲインが大きくなるため図10に示すように蛇行量の定常偏差を小さくできるが、その応答は振動的になる。逆にp0 より小さくするとロバスト安定性が悪化する。これらよりzは制御対象の極p0 近傍の値に設定すると良いと考えられる。
【0037】
以上の検討結果から導出した制御系のパラメータの合理的な決定方法を図4に示す。ST1では制御対象の圧延機の動作の周波数特性を解析し、周波数特性上の極周波数p0 と零点周波数z0 を求める。ST2では制御系のローパスフィルタの極周波数pを制御対象の零点周波数z0 付近に設定する。これによって、圧延機の時定数に左右されることなく、安定な蛇行制御の条件を確保することができる。
【0038】
ST3では制御系の比例微分時定数zを制御対象の極周波数p0 付近に設定する。これによって、制御装置の比例微分時定数と安定化ローパスフィルタの極時定数を圧延機の動作特性に適合した最適な組合わせとすることができる。
【0039】
ST4で制御系全体の開ループ伝達関数の周波数特性を求める。ST5で制御系全体の閉ループ特性の周波数特性および時間領域応答特性を求める。ST6では利得係数kを変化させ、時間領域応答特性を蛇行量の許容限度仕様とロバスト安定性の両面から検討し、ST7で最適な利得係数kを決定する。これによって、圧延製品の品質要求を満たしつつ、圧延機や圧延材の特性変化に安定に対処でき、製品品質と圧延工程の稼動率を共に高めることができる。
【0040】
図4で示したフローに従い構成した制御装置によって蛇行制御のシミュレーションを実行した結果を図11に示す。外乱として図11(a)に示すような圧下系に加わるステップ状外乱を想定した。図11(b)より蛇行量は速やかに安定化されている。
【0041】
以上、蛇行安定化制御を例として本発明の制御方式を説明したが、他の制御対象に対しても制御対象の特性が前記式(2)の形式で表現される場合には本発明が適用できる。
【0042】
【発明の効果】
本発明の第1の構成による圧延機の安定化制御方法によれば、圧延中に発生する圧延材の蛇行に対し、圧延機に設置された荷重センサにより検出される左右の荷重の偏差に基づき、比例微分制御を行って圧下装置に与える左右のレべリングの偏差の指令値を演算し、前記指令値に基づいてロールギャップを調節して圧延材の蛇行を安定化する圧延の安定化制御において、前記圧延機の動作周波数特性の零点時定数にほぼ等しい極時定数をもつ安定化ローパスフィルタを備えたので、圧延機の時定数に左右されることなく、安定な蛇行制御の条件を確保することができる。
【0043】
また、本発明の第2の構成による圧延機の安定化制御方法によれば、
圧延の安定化制御において、制御対象である、圧延機の特性を含めた蛇行現象の周波数特性を解析して制御対象の零点に基づいて前記安定化ローパスフィルタの極時定数を決定し、制御対象の極に基づいて比例微分制御の零点時定数を決定することを特徴とし、低周波域と高周波域の特性を各々独立に設定することを可能としたので、制御装置の比例微分時定数と安定化ローパスフィルタの極時定数を圧延機の動作特性に適合した最適な組合わせとすることができる。
【0044】
また、本発明の第3の構成による圧延機の安定化制御方法によれば、圧延の安定化制御において、圧延材の蛇行量とロバスト安定性の両面を考慮して利得系数を決定するので、圧延製品の品質要求を満たしつつ、圧延機や圧延材の特性変化に安定に対処でき、製品品質と圧延工程の稼動率を共に高めることができる。
【0045】
また、本発明の第4の構成による圧延機の安定化制御装置によれば、長尺の圧延材を圧延する圧延機において、左右の圧下荷重を測定する圧力センサと、前記左右の圧力信号にもとづいて左右の圧下指令信号を発生する制御装置とを備え、前記制御装置は、圧延機の動作周波数特性の極時定数にほぼ等しい比例微分制御時定数と、圧延機の零点時定数にほぼ等しい極時定数の安定化ローパスフィルタとを備え、圧延材の蛇行現象を安定に制御するので、制御装置の比例微分時定数と安定化ローパスフィルタの極時定数を圧延機の動作特性に適合した最適な組合わせとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の蛇行制御系を含む圧延システムの構成図である。
【図2】 入力をレべリング偏差、出力を荷重偏差としたときの制御対象である蛇行現象の周波数特性を示す図である。
【図3】 比例微分制御を適用した場合の開ループ伝達関数の周波数特性を示す図である。
【図4】 制御パラメータ決定のフローを示す図である。
【図5】 制御パラメータkを変化させたときの開ループ伝達関数の周波数特性を示す図である。
【図6】 制御パラメータkを変化させたときの蛇行量のステップ応答を示す図である。
【図7】 制御パラメータpを制御対象の零点z0 近傍で変化させたときの開ループ伝達関数の周波数特性を示す図である。
【図8】 制御パラメータpを変化させたときの蛇行量のステップ応答を示す図である。
【図9】 制御パラメータzを制御対象の極p0 近傍で変化させたときの開ループ伝達関数の周波数特性を示す図である。
【図10】 制御パラメータzを変化させたときの蛇行量のステップ応答を示す図である。
【図11】 実施例におけるステップ状外乱に対する蛇行量の変化を示す図である。
【図12】 従来の制御装置を含む圧延システムの構成図である。
【符号の説明】
1 圧延材、2 ワークロール、3 バックアップロール、4 圧力センサ、5 圧延機の幾何学的中心、6 圧延材の幾何学的中心、7 制御装置、8 圧下装置、9 荷重信号、10 レべリング信号、11 従来の圧延機の制御装置。
Claims (4)
- 圧延中に発生する圧延材の蛇行に対し、圧延機に設置された荷重センサにより検出される左右の荷重の偏差に基づき、比例微分制御を行って圧下装置に与える左右のレべリングの偏差の指令値を演算し、前記指令値に基づいてロールギャップを調節して圧延材の蛇行を安定化する圧延の安定化制御において、前記圧延機の動作周波数特性の零点時定数にほぼ等しい極時定数をもつ安定化ローパスフィルタを備えたことを特徴とする圧延機の安定化制御方法。
- 圧延の安定化制御において、制御対象である、圧延機の特性を含めた蛇行現象の周波数特性を解析して制御対象の零点に基づいて前記安定化ローパスフィルタの極時定数を決定し、制御対象の極に基づいて比例微分制御の零点時定数を決定することを特徴とし、低周波域と高周波域の特性を各々独立に設定することを可能とした請求項1記載の圧延機の安定化制御方法。
- 圧延の安定化制御において、圧延材の蛇行量とロバスト安定性の両面を考慮して利得系数を決定することを特徴とする請求項2記載の圧延機の安定化制御方法。
- 長尺の圧延材を圧延する圧延機において、左右の圧下荷重を測定する圧力センサと、前記左右の圧力信号にもとづいて左右の圧下指令信号を発生する制御装置とを備え、前記制御装置は、圧延機の動作周波数特性の極時定数にほぼ等しい比例微分制御時定数と、圧延機の零点時定数にほぼ等しい極時定数の安定化ローパスフィルタとを備え、圧延材の蛇行現象を安定に制御する圧延機の安定化制御装置。
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